Ein Mitarbeiter von Voxeljet fertigt ein Antriebsteil am Monitor und bereitet es damit für den 3D-Druck vor.

Voxeljet fertigt Antriebskomponenten mit Hilfe des 3D-Drucks. (Bild: Voxeljet)

Aus klassischen Verbrennungsmotoren höhere Wirkungsgrade herauskitzeln und ihnen Knauserigkeit einimpfen – so lautet das aktuelle Motto. Beispiel Zylinderkopf: Ausgeklügelte Kühlwasserkanäle sind wichtig, um die Kühl- und damit die Motorleistung zu verbessern. Toyota-Entwickler arbeiten derzeit an einer neuartigen Aluminiumgusstechnologie.

CO2-Emissionen sollen halbiert werden

Zur Fertigung filigraner Kanäle nutzen sie das anorganische Material Wasserglas – aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und Lithiumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen. Üblicherweise werden die Kanäle aus Formen von Sand und Klebstoff modelliert. Bei der Herstellung wird organisches Phenolharz als Klebstoff verwendet. Beim Gießprozess entstehen Rauch und starke Gerüche.

Mit Wasserglas soll die Geruchsbelastung auf unter ein Hundertstel der üblichen Konzentration sinken, die entsprechenden Maßnahmen zur Luftreinhaltung in den Produktionsstätten können deutlich geringer ausfallen, verspricht Toyota. Durch Tenside wird zudem eine schaumartige Konsistenz erzeugt, die die Fließfähigkeit des Sandes verbessern soll. Damit sollen deutlich dünnere und komplexere Kühlwasserkanäle in Zylinderköpfen möglich werden.

Laut den Japanern trägt diese Maßnahme entscheidend zum hohen thermischen Wirkungsgrad ihrer Motoren bei. Aufgrund der geringeren Verarbeitungstemperatur sollen die CO2-Emissionen gegenüber den herkömmlichen Methoden mehr als halbiert werden. Der Sand lasse sich zudem mehrfach verwenden, sagen die Toyota-Experten.

3D-Druck von E-Motorengehäusen

Bei Elektroantrieben hingegen fällt der Bedarf an Gussteilen geringer aus. Tatsächlich könnte mit zunehmender Elektrifizierung des Antriebsstrangs die gute alte Gießtechnik ins Hintertreffen geraten, fürchtet die Branche. Gut, dass unter Umständen der industrielle 3D-Druck Gussteilen einen Schub zu liefern vermag, etwa bei der Herstellung von Gussformen für Motorengehäuse. Voxeljet aus München, spezialisiert auf 3D-Drucksysteme, konnte diesbezüglich bereits in China Erfahrungen sammeln.

Ein Kunde der Gießerei Meimai Fastcast Suzhou hatte sich mit der Aufgabenstellung an die 3D-Druck-Firma gewandt, zahlreiche E-Motorengehäuse zu testen, um zügig Verbesserungen an einer ersten Elektromotorengeneration voranzutreiben. Herkömmliche Produktionsverfahren für Gussformen erschienen als zu zeitraubend. Mithilfe des 3D-Drucks habe Meimai Suzhou verschiedene Design-Iterationen und nachgelagerte Änderungen an den Teilen durchführen und das Projekt noch vor der gesetzten Deadline abschließen können, so Voxeljet. Die Formen für das Motorgehäuse wurden aus den üblichen Materialien Quarzsand und Furanharz hergestellt.

Um das Bauteil vor Gussfehlern zu schützen, infiltrierte man die gedruckten Sandformen mit einer keramischen Schlichte und goss die Gehäuse anschließend aus Aluminium. Vorteile des werkzeuglosen 3D-Druckverfahrens sind laut Voxeljet die vergleichsweise günstige Herstellung kleinerer Stückzahlen sowie die optimierte Ausschussquote. Die chinesische Gießerei experimentiert nun über den Einsatz bei Elektromotorengehäusen hinaus bereits an der Fertigung von Sandformen für Retarder-und Reglergehäuse, an diversen Halterungen, Hilfsrahmen sowie anderen Bauteilen der E-Mobilität.

Reduktion der Oberflächenrauheit

Einen wichtigen Fortschrittsbeitrag im Antrieb leistet das Reduzieren der Reibung. Seinen Optimierungsprozess für Motor-, Differenzial- und Getriebeteile macht Applied Nano Surfaces (ANS) auch für komplexe Bauteile zugänglich, etwa Zahnräder: „Statt eines festen Werkzeugs, um die Oberfläche zu behandeln, erzeugen wir jetzt mechanische Kontakte zwischen einer großen Anzahl massiver Impaktoren und dem Werkstück, in denen die tribochemische Reaktion stattfindet“, erklärt Andreas Storz, Geschäftsführer von ANS Deutschland.

Die Behandlung erzeugt eine Festschmierstoffschicht, die den Reibungskoeffizienten der Bauteile reduziert. Das Ingenieurteam in Schweden bewerkstellige mit der vibrationsunterstützten Tribokonditionierung eine signifikante Reduktion der Oberflächenrauheit und ein plateauähnliches Rauheitsprofil. Dank positiver Druckeigenspannung wird so etwa bei Zahnrädern eine hohe Dauerhaltbarkeit möglich. Das Verfahren eignet sich laut ANS auch für klassische Komponenten wie Kurbel- und Nockenwellen.

Eine Eingangswelle mit einbaufertiger Lamellenverzahnung.
Eine Eingangswelle mit einbaufertiger Lamellenverzahnung. (Bild: Hirschvogel)

Welle aus dem Werkstoff C45

Eine Antwort auf die zunehmende Systemkomplexität hybrider Antriebsstränge will man bei Hirschvogel gefunden haben. Die Umformspezialisten haben eine Welle konstruiert, mit der die E-Maschine in einer P2-Hybridanordnung in den Antriebsstrang zwischen Motor und Getriebe ein- und ausgekuppelt werden kann. In enger Zusammenarbeit mit einem Kunden hat das Denklinger Unternehmen eine halbwarm gepresste Welle aus dem Werkstoff C45 erstellt.

Die Kombination aus Halbwarm- und Kaltumformung erzeugt an einer Seite der Verzahnung eine Anbindung zwischen den Zähnen, die die aufgesteckten Kupplungslamellen während der Montage halten. Die Werkzeugkosten für die Entwicklung dieses Monoblockbauteils liegen laut Hirschvogel im Vergleich zu den Investitionen für eine zweiteilige Lösung lediglich bei rund 20 Prozent.

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